DE4237083C2 - Anordnung von miteinander verschalteten Baugruppen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Anordnung ist aus der DE 28 36 092 A1 als elektrische Baugruppe mit einer flexiblen Leiterfolie bekannt, die mäanderförmig mehrfach gefaltet abschnittsweise, nämlich zwischen je zwei Faltungen, auf parallel zu einander angeordnete Stützplatten geklebt ist, an denen die Bauelemente der Schaltung gehaltert sind. Die Leiterfolie weist an ihren konvexen Faltzonen, also außenseitig, Kontaktstellen für interne oder externe Verbindungen auf. Au­ ßerdem ist die Leiterfolie an ihren quer dazu orientierten Seitenkanten zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Faltungen mit überstehenden Lappen versehen, die U-förmig abgebo­ gen sind und zusätzliche Kontaktstellen für weitere interne oder externe Verbindungen auf­ weisen. Die Kontaktstellen sind einerseits über Leiterbahnen mit den Bauelementen auf den Stützplatten elektrisch verbunden und können andererseits mittels weiterer Leiterfolien kon­ taktiert werden, welche die internen und externen Verbindungsleiter tragen. Problematisch ist aber die Kontaktierung. Denn wenn die Leiterfolien stramm um die Kanten der Stützplatten herumgezogen werden, entsteht einerseits eine erhöhte Bruchgefahr für die Verbindungsleiter zu den Kontaktstellen auf diesem konvexen Stirnbereich, und außerdem lassen die durch den kleinen Biegeradius begrenzten Kontaktstellen keine unproblematisch, zuverlässig erstelltbare Verbindung erwarten; wenn dagegen die Leiterfolie nicht stramm, sondern frei auswölbend um die jeweilige Stirnseite einer Stützplatte herum verläuft, läßt der größere Biegeradius zwar größere Kontaktstellen zu, aber die Verbindungstechnik ist noch komplizierter und demzufol­ ge unzuverlässiger, weil sie gegen einen elastischen nachgiebigen Widerpart arbeiten muß.

Bei einem aus der DE-OS 19 32 380 bekannten Schaltungsaufbau werden integrierte Schalt­ kreise auf eine flexible gedruckte Schaltung aufgebracht, die anschließend zusammengefaltet und durch Befestigungsmittel wie Metallplatten und Schraubbolzen gleichmäßig zusammen­ gepreßt wird.

Der Aufsatz von K. Casson "An Electronic High Density Packaging Concept Suitable for Under the Hood Automotive Applications" in International Congress & Exposition, Detroit, 24.-28. Februar 1992, Seiten 2/3, zeigt in der zweiten Skizze zwei zu einander parallel an­ geordnete Aluminiumplatten, über deren einander zugewandten Oberflächen sich ein U-f ör­ mig gebogener flexibler Leiter erstreckt, dessen Bauelemente tragende Schenkel großflächig auf den Platten aufliegen und dessen die Schenkel miteinander verbindendes Joch mit einem Stecker ausgestattet ist.

Eine gattungsähnliche Anordnung ist aus der DE 35 36 963 C2 bekannt.

Dort sind als Wärmesenken ausgelegte Metall-Trägerplatten beidseitig in wärmeleitender Verbindung mit Starrflex-Leiter­ platten beklebt, deren kurze Flex-Bereiche auf die Stirnseite der jeweiligen Trägerplatte herumgeführt und dort mit auftra­ genden Kontakten bestückt sind. Diese werden unter Zwischen­ lage einer Kontaktfolie mittels die Trägerplatte durchgrei­ fenden Spannschrauben gegen eine Mehrlagen-Verdrahtungsplatte angedrückt, die sich über mehrere derart ausgestattete und nebeneinander angeordnete Trägerplatten-Stirnseiten er­ streckt. Jener Aufbau hat sich bewährt, insbesondere wenn es darum geht, eine große Anzahl von Bauelementen in dichtester Packung erschütterungsfest (auch gegen extreme Beschleuni­ gungsbeanspruchungen) zu verdrahten und dennoch dabei eine servicefreundliche Austauschbarkeit der einzelnen Trägerplat­ ten ebenso wie deren zusätzliche Kühlung über Fluid-Kanäle zu realisieren.

Bei einer gattungsähnlichen Baugruppen-Anordnung, wie sie aus der DE 38 01 610 A1 bekannt ist, steht die Erfüllung der For­ derung im Vordergrund, die dichte Packung von Baugruppen-Trä­ gerplatten während einer abschließenden Testphase zwar schon in endgültiger Konfiguration voll funktionstüchtig miteinan­ der zu verschalten, aber dennoch schnell und leicht aus­ tauschbar zu halten, ehe nach erfolgreichem Test-Abschluß die endgültige feste Verbindung der Verschaltungs-Kontakte herge­ stellt wird. Dafür enden die einzelnen Baugruppen-Leiterbah­ nen in elastisch gegen die Leiterbahnen einer Verdrahtungs­ platine angedrückten Kontakten, die ihrerseits mit Stiften durchkaschierte Bohrungen in den Verdrahtungs-Leiterbahnen durchgreifen und ausgangsseitig verlötet werden können. Dabei sind diese Stift-Kontakte entweder separat erstellt und an die Enden der Baugruppen-Leiterbahnen angeschlossen, oder aber die Baugruppen weisen Starrflex-Leiterplatten auf, in deren Flex-Endbereichen die Anlagekontakte ausgebildet und die Lötstifte befestigt sind. Die mechanische Verbindung zwi­ schen den Verdrahtungsplatinen und den Randbereichen der quer dazu orientierten Baugruppen-Trägerplatten erfolgt mittels Winkelstücken, die zugleich als Führungselemente für die ne­ beneinanderliegenden Kontakte ausgebildet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verbindungs­ technik in gattungsgemäßen Baugruppen-Anordnungen dahingehend weiterzuentwickeln, daß sie eine noch dichtere Packung der Bauelemente unter Erfüllen höchster Anforderungen an die Schock- und Langzeitzuverlässigkeit der Verschaltung zwischen den einzelnen Baugruppen erzielen läßt, unter Berücksichti­ gung auch von gesteigerten Anforderungen an rasche Ausbildung der Verschaltungs-Verbindungen und an leichte Test-Zugäng­ lichkeit dieser Verbindungsstellen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch ge­ löst, daß die gattungsgemäße Baugruppen-Anordnung nach dem Kennzeichnungsteil des Hauptanspruches ausgelegt ist.

Nach dieser Lösung entfallen die platzaufwendig sich über die Stirnseiten einander benachbarter Baugruppen erstreckenden Verdrahtungs-Leiterplatten ebenso wie ausschließlich der Po­ sitionierung dienende mechanische Koppelelemente zwischen solchen Verdrahtungsplatinen und den einzelnen Baugruppen- Stirnrandbereichen. Statt dessen werden die Bauelemente über die Leiterbahnen flexibler Schaltungsträger verdrahtet (beispielsweise als Chips aufgebondet oder als gekapselte Komponenten in Oberflächen-Löttechnik aufgebracht), wobei der flexible Schaltungsträger seine mechanische Stabilität da­ durch erfährt, daß er in gut wärmeleitender Verbindung auf eine ebene dünne aber doch mechanisch stabile und ebenfalls gut wärmeleitende metallene Trägerplatte aufgeklebt ist. Die beklebte Oberfläche der Trägerplatte geht an wenigstens einem Stirnrand unter konvexer Abrundung in einen kurzen L-Schenkel über, der direkt an die Trägerplatte angeformt oder aber als separates Bauteil daran befestigt sein kann. Unter diesem kurzen freien Schenkel sind die Schaltungsträger-Leiterbahnen zu Lötbereichen freigelegt. Der Schaltungsträger aus flexi­ blem Trägermaterial-Laminat mit eingebetteten oder aufka­ schierten Leiterbahnen kann sich über diesen Lötbereich und das Stirnende des kurzen L-Schenkels hinaus erstrecken, und den Zwischenraum bis zur benachbart angeordneten derartigen Trägerplatte als Flex-Verbinder freischwebend überbrücken, um die vom Trägermaterial bereichsweise befreiten Leiterbahnen dann an die benachbarten Lötbereiche anschließen zu können. So kann in Richtung des freien Stirnendes des Trägerplatten- Schenkels jeweils von einer zur nächstbenachbarten Baugruppe der flexible Schaltungsträger weitergezogen werden, um die Schaltungsverbindung gewissermaßen stufenweise über deren Lötbereiche herzustellen. Die Lötbereiche sind von außerhalb des Schenkels, also lötseitig für Funktionstest durch Prüfspitzen zugänglich, und zwar schon vor wie auch nach dem Auflöten des von der benachbarten Baugruppe kommenden Flex- Verbinders. Die jeweils auf die benachbarten Lötbereiche geführten Leiterbahnenabschnitte können alle gleichzeitig verlötet werden, indem ein Vielfach-Lötstempel nach Art der TAB-Technologie aufgebracht wird. Der Gegendruck erfolgt über die abgewinkelten Schenkel der Trägerplatten, die parallel zueinander über Distanzhalter mittels quer durchlaufender Spannschrauben zusammengehalten sind.

Statt der einzelnen kurzen Flex-Verbinder, die sich jeweils aus dem Schaltungsträger einer Baugruppe unter den Schenkel wenigstens der nächstbenachbarten Baugruppen erstrecken oder zusätzlich dazu, kann die Verschaltung auch mittels durchgehender flexibler Leiterbahnen erfolgen, die sich über die Schenkel mehrerer nebeneinander angeordneter Trägerplatten erstrecken und mit ihren freigelegten Leiterbereichen ebenfalls auf die Lötbereiche kontaktiert werden, die unter den Platten-Schenkeln vorbereitet sind. Diese durchgehende flexible Leiterbahn kann auch an Anschlußstifte an einer Abschlußplatte geführt werden, die als Träger für die Spannschrauben der gegeneinander distanzierten Baugruppen dient. Da diese Baugruppen nacheinander vor der Abschlußplatte auf die Spannschrauben aufgesetzt werden und jeweils den Schaltungsträger mit darauf befestigten Bauelementen auf der von der Orientierung des Rand-Schenkels abgewandten Oberfläche tragen, kann auch die Bestückung mit größeren Bauelementen erfolgen, denn diese ragen dann in den Freiraum hinter dem L-Winkel der benachbarten Trägerplatte hinein.

So läßt sich ein sehr gedrängter Aufbau realisieren, zumal für die Verdrahtung zwischen den einzelnen einander benach­ barten Baugruppen und von diesen zu beispielsweise einer durchgehenden Bus-Struktur weder Kontakteinlagen noch Steck­ stifte und auch keine mechanischen Verbindungs-Konstruktions­ teile, also keinerlei platzaufwendige Funktions- oder Hilfse­ lemente benötigt werden. Der Platzbedarf für die Verdrahtung beschränkt sich vielmehr auf die Lötbereiche in den breiten Abmessungen der flexiblen Leiterbahnen unter den Rand-Schen­ keln der Trägerplatten; wobei diese Lötbereiche von außerhalb der abgewinkelten Trägerplatten für das gleichzeitige Verlö­ ten mit darauf vorfixierten Leiterbahnen ebenso wie für Test­ anschlüsse leicht zugänglich sind, da diese Bereiche bei der kompakten Baugruppen-Anordnung außen liegen.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den wei­ teren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung der Darle­ gungen in der Zusammenfassung, aus nachstehender Beschreibung von in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert aber angenähert maßstabsgerecht skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispielen zur erfindungsgemäßen Lö­ sung. Es zeigt:

Fig. 1 die miteinander verschaltete und in ein hermetisch geschlossenes Gehäuse montierte Baugruppenanordnung und

Fig. 2 als detaillierten Ausschnitt in starker Vergröße­ rung bei abgebrochener Darstellung Verbindungen zwischen benachbarten Baugruppen.

Die Längsschnitt-Darstellung der Fig. 1 zeigt eine Anzahl von Baugruppen 11, die jeweils im wesentlichen aus einer Träger­ platte 12 mit darauf befestigtem, vorzugsweise aufgeklebtem Trägermaterial 13 für aufkaschiert Leiterbahnen 14 als Schal­ tungsträger 10 zum mechanischen und elektrischen Anschluß von Bauelementen 15 bestehen. Die einzelnen Trägerplatten 12 sind über Distanzhalter 16 mittels Spannschrauben 17 in paralleler Anordnung distanziert zueinander starr verbunden und von ei­ ner Abschlußplatte 18 in einem topfförmigen Gehäuse 19 gehal­ tert, das von der Abschlußplatte 18 hermetisch verschließbar ist.

Die einander benachbarten Baugruppen sind längs ihrer L-för­ mig abgewinkelt verlaufenden Stirnränder 20 durch die Leiterbahnen 14 auf ihrem flexiblen Trägermaterial 13 mit­ einander elektrisch verschaltet, die sich dafür jeweils über die Länge der L-Schenkel 23 einer Baugruppe 11 hinaus als überbrückender Flex-Verbinder 22 bis vor den L-Schenkel 23 wenigstens der in dieser Richtung nächstbenachbarten Baugruppe 11 erstrecken können, wie im einzelnen unten anhand von Fig. 2 näher erläutert.

Damit die Trägerplatten 12 zugleich Wärmesenke-Funktion aus­ üben können, bestehen sie aus Metall. Der Einsatz einer Kup­ fer-Molybdän-Verbindung weist den besonderen Vorteil auf, schon bei einer Plattenstärke von nur gut einem halben Milli­ meter eine vorzügliche mechanische Stabilität bei hervorra­ genden Wärmeableiteigenschaften zu erbringen. Die Abkröpfung der Stirnränder 20 zu den L-Schenkeln 23 kann einteilig (durch Abkanten des Randbereiches) oder mehrteilig durch Win­ kelschienen erfolgen, die kraftschlüssig (etwa durch Schwei­ ßen, Löten oder Kleben) an den für die Verdrahtung der Bau­ gruppen untereinander in Betracht kommenden Stirnrändern 20 ebener Trägerplatten 12 befestigt sind.

Wie detaillierter aus Fig. 2 ersichtlich ist jede Träger­ platte 12 auf ihrer hinsichtlich der L-Schenkel 31 konvex be­ randeten Oberfläche 24 mit einem Schaltungsträger 10 in Form von einem flexiblen Leiterbahnen-Trägermaterial 13 belegt, bei dem es sich vorzugsweise um ein aufgeklebtes Polyimid-La­ minat in der Stärke der isolierenden Kleberschicht 25 han­ delt, auf das Kupfer-Leiterbahnen 14 aufkaschiert sind. Die Stärke des Trägermaterials 13 liegt in der Größenordnung von nur 10% der dünnen metallenen Trägerplatte 12, und die Stärke der aufkaschierten Leiterbahnen 14 noch darunter.

Die Bauelemente 15 sind im Bereich der ebenen Oberfläche 24 der Trägerplatte 12 dieser gegenüber auf die Leiterbahnen 14 gebondet oder aufgelötet, vorzugsweise in SMD-Technologie. Zum Stirnrand 20 der Trägerplatte 12 hin verlaufen dann die Leiterbahnen 14 auf ihrem Trägermaterial 13 über den konvex abgerundeten Rand der Oberfläche 24 bis wenigstens in den Be­ reich unter dem jeweiligen L-Schenkel 23, wo die einzelnen nebeneinander verlaufenden Leiterbahnen 14 in freiliegenden Lötbereichen 26 mit Lötmaterial 27 beschichtet sind. Bei diesem handelt es sich vorzugsweise um eine Blei-Zinn-Legierung einer Stärke, die noch unter der Dicke der Leiterbahnen 14 und jedenfalls unter der Stärke von deren Laminat-Trägermate­ rial 13 liegt.

Die auf diesem Trägermaterial 13 nebeneinander verlaufend ausgebildeten Leiterbahnen 14 können sich noch über das freie Stirnende 28 des L-Schenkels 23 hinaus erstrecken und den Ab­ stand zur in dieser Richtung nächstbenachbarten Trägerplatte 12 als Flex-Verbinder 22 freitragend überbrücken, wo das vom Trägermaterial 13 befreite Ende 29 der Leiterbahnen 14 an geometrisch zugeordnete Lötbereiche 26 der Leiterbahnen 14 jener benachbarten Trägerplatte 12 kontaktiert ist. So kann jede Baugruppe 11 in Richtung der Abkröpfung ihres Rand- Schenkels 23 an die Leiterbahnen 14 auf der Trägerplatte 12 der benachbarten Baugruppe 11 angeschlossen werden.

Die Lötbereiche 26 sind vor dem Einbau der auf die Abschluß­ platte 18 montierten Baugruppen 11 in das Gehäuse 19 ohne weiteres mit Tastspitzen für eine Funktions-Zwischenkontrolle der auf die Spannschrauben 17 aufgereihten Baugruppen 11 zu­ gänglich. Bei erfolgreichem Test werden die Flex-Verbinder 22 mit ihren vom Trägermaterial 13 befreiten Leiterbahnen-Enden 29 auf die zugeordneten Lötbereiche 26 belegt, wobei eine Po­ sitionierhilfe durch Stifte möglich ist, die in den Randbe­ reichen des L-Schenkels 23 (außerhalb der Zeichenebene von Fig. 2) montiert sind und zugeordnete Löcher im jeweiligen Flex-Verbinder 22 durchgreifen. Wenn so alle Leiterbahnenen­ den 29 unter Zwischenlage des Lötmaterials 27 auf die zuge­ ordneten Lötbereiche 26 der jeweils benachbarten Baugruppe paßgerecht aufgelegt sind, können sämtliche Lötbereiche 26 aller Baugruppen 11 in einem Zuge mittels eines Mehrfach-Löt­ stempels nach Art des TAB-Verfahrens (Tape-Automatic-Bonding) angeschmolzen und so sämtliche Leiterbahnen-Lötstellen im An­ druck gegen die L-Schenkel 23 gleichzeitig hergestellt wer­ den. Auf der konvexen Oberfläche 24 der Schenkel 23 bleiben diese Verbindungs-Lötbereiche 26 auch danach für Test-Tast­ spitzen zugänglich.

In Fig. 2 ist berücksichtigt, daß die elektrischen Verbindun­ gen nicht nur jeweils zwischen zwei einander benachbarten Baugruppen 11 ausgeführt werden müssen, also mit Beendigung des Verlaufes eines Flex-Verbinders 22 unter einem der dem Schenkel-Stirnende 28 benachbarten Schenkel 23. Vielmehr kann eine weitere flexible Mehrfach-Leiterbahn 30 (bestehend aus laminiertem Trägermaterial für aufkaschierte Leiterbahnen­ züge) vorgesehen sein, die sich über mehrere oder alle L- Schenkel der nebeneinander angeordneten Baugruppen-Träger­ platten 12 erstreckt und (vgl. Fig. 1) vorzugsweise bis vor die Ebene der Gehäuse-Abschlußplatte 18 verläuft, längs derer sie (beispielsweise wieder über eine Klebeschicht 25) befe­ stigt und an Anschlußstifte 31 in hermetisch versiegelten Durchgangsisolatoren der Abschlußplatte 18 geführt ist. Diese alle Stirnränder der Baugruppen-Trägerplatten 12 erfassende flexible Leiterbahn 30 führt einmal die durchgehenden BUS- Leitungen für die Steuerungs- und Datensignale und daneben, in den verbleibenden Bereichen ihrer Breite, Verschaltungs­ leiterbahnen, die sich jeweils nur über einige der L-Schenkel 23 erstrecken müssen und dann beispielsweise aufgetrennt sind. Zweckmäßigerweise ist diese übergreifende flexible Lei­ terbahn 30, wie in Fig. 1 berücksichtigt, von den Anschluß­ stiften 31 in der Abschlußplatte 18 längs dieser nach beiden einander gegenüberliegenden Stirnrändern 20 (in der Zeichnung oben und unten) geführt, um so an gegenüberliegenden Stirn­ rändern 20 einer Trägerplatte 12 unterschiedliche Verschal­ tungen mit Leiterbahnen 14 auf anderen Trägerplatten 12 re­ alisieren zu können.

Der Verlauf der Leiterbahnen 14 auf den Trägerplatten kann auch quer zur zeichnerischen Darstellung (also zusätzlich quer zur Zeichenebene) vorgesehen sein, mit L-förmigen Ab­ kröpfungen auch der diesbezüglichen Plattenränder. Dann können sich sowohl die Flex-Verbinder 22 zwischen einander be­ nachbarten Baugruppen 11 wie auch die durchlaufenden flexi­ blen Leiterbahnen 30 bei rechteckiger Geometrie der Träger­ platten 12 über sämtliche vier Platten-Stirnränder 20, also praktisch über alle Oberflächen eines Kubus, erstrecken, was eine besonders komplexe Verschaltung zwischen den einzelnen Baugruppen 11 auf engstem Raume ergibt.

Claims (8)

1. Anordnung von nebeneinander gehalterten und miteinander verschalteten Baugruppen (11), die auf Oberflächen (24) von Trägerplatten (12) geklebte Schaltungsträger (10) mit flexiblem Trägermaterial (13) für Leiterbahnen (14) aufweisen, das sich um einen Stirnrand (20) der Trägerplatte (12) herum zur benachbarten Trägerplatte (12) hin erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatten (12) an jenem Stirnrand (20) jeweils unter konvexer Abrundung ihrer beklebten Oberflächen (24) L-förmig abgekröpft sind und mit dem abgekröpften kurzen L-Schenkel (23) auf die konvexe Abrundung des Stirnrandes (20) der jeweils benachbarten Trägerplatte (12) zu weisen, wobei das Trägermaterial (13) mit den Leiterbahnen (14) den Abstand vom freien Stirnende des L-Schenkels (23) zu dem kurzen L-Schenkel (23) der be­ nachbarten Trägerplatte (12) als Flex-Verbinder (22) frei schwebend über­ brückt, wo seine bereichsweise vom Trägermaterial (13) befreiten Leiterbah­ nen (14) an geometrisch zugeordnete Lötbereiche (26) von Leiterbahnen (14) im Bereich der kurzen L-Schenkel (23) jener benachbarten Trägerplatte (12) angeschlossen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Baugruppen (11) mittels senkrecht zu ihnen durchlaufender Spann­ schrauben (17) so nebeneinander befestigt sind, daß die Stirnfläche (28) der Schenkel (23) von der benachbarten mit dem Schaltungsträger (10) ausge­ statteten Trägerplatten-Oberfläche (24) distanziert sind und die Baugruppen (11) an einer Abschlußplatte (18) gehaltert sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußplatte (18) mit Anschlußstiften (31) ausgestattet ist, die an flexible Leiterbahnen (30) angeschlossen sind, welche sich über mehrere der unter den Platten-Schenkeln (23) ausgebildeten Lötbereiche (26) erstrecken.

4. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß metallene Trägerplatten (12) vorgesehen sind, deren kurze L-Schenkel (23) einteilig abgekantet ausgebildet sind.

5. Anordnung nach der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß metallene Trägerplatten (12) vorgesehen sind und daß gesondert erstellte L-Schenkel (23) an den Stirnrändern (20) der Trägerplatten (12) montiert sind.

6. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltungsträger ein dünnes flexibles Polyamid-Laminat mit galvani­ sierten Kupfer-Leiterbahnen (14) vorgesehen ist, der elektrisch isolierend aber thermisch leitend auf eine dünne Kupfer-Molybdän-Platte aufgeklebt ist.

7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Lötbereichen (26) bestückten L-Schenkel (23) an mehreren Stirn­ rändern (20) der Trägerplatten (12) ausgebildet sind.

8. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander verschalteten Baugruppen in ein hermetisch dicht ge­ schlossenes Gehäuse (19) eingesetzt sind.